Sistemi di Trasmissione Dati Lezione tenuta presso lIstituto

Sistemi di Trasmissione Dati Lezione tenuta presso l’Istituto I. I. S. S. “Egidio Lanoce” Maglie, 3 Febbraio 2007 Dr. Sistemi Antonio Cazzato di Trasmissione Dati

Aspetti propriamente tecnici della trasmissione dei dati • • • Instradamento; Trasmissione sincrona e asincrona; Interfacce seriali e parallele; Trasmissione duplex, half-duplex e simplex; Commutazione; Multiplexing. 11/9/2020 Sistemi di Trasmissione Dati 2

Instradamento (routing) • Come far arrivare i pacchetti a destinazione? • Ogni nodo della rete mantiene una tabella che indica a quale/quali vicini ritrasmettere un pacchetto non destinato a lui, in base all’indirizzo di destinazione del pacchetto • La scelta del nodo a cui inoltrare il pacchetto dipende anche da situazioni temporanee di carico della rete, guasti, ecc. 11/9/2020 Sistemi di Trasmissione Dati 3

Trasmissione sincrona/asincrona • Trasmettitore e ricevitore debbono cooperare: – i dati vengono tipicamente trasmessi un bit per volta lungo il canale (trasmissione seriale) – la temporizzazione di questi bit deve essere la stessa trasmettitore e ricevitore • Trasmissione sincrona: – trasmettitore e ricevitore devono avere orologi sincronizzati per gestire la temporizzazione dei bit trasmessi; – l’informazione di sincronizzazione può essere contenuta nei dati mediante speciali codifiche. • Trasmissione asincrona: – trasmissioni di breve durata, un carattere per volta (da 5 a 8 bit), – il ricevitore deve risincronizzarsi all’inizio di ogni nuovo carattere (segnalato mediante un bit di start), – la fine di un carattere è poi segnalata da un altro bit di controllo, il bit di stop. • Direzione della trasmissione – Simplex: solo in una direzione (solo da A verso B) – Full duplex: contemporaneamente in entrambe le direzioni (da A a B e da B ad A contemporaneamente) – Half duplex: in entrambe le direzioni, ma non contemporaneamente (da A a B xor da B ad A) 11/9/2020 Sistemi di Trasmissione Dati 4

Il canale di comunicazione • linea dedicata – La comunicazione avviene lungo un canale (linea fisica o “parte” di essa) dedicato esclusivamente ad essa • Es: due PC connessi da un cavo di comunicazione • linea commutata – Il canale viene “costruito” per ogni nuova sessione di comunicazione, collegando singoli tratti di linee dedicate • Es: comunicazione tra due computer in Internet – altri computer fanno da tramite tra i due che devono comunicare, ritrasmettendo i loro messaggi – Con le linee commutate si riducono i costi – 2 modalità: • commutazione di circuito • commutazione di pacchetto 11/9/2020 Sistemi di Trasmissione Dati 5

Il livello fisico nell’accesso alle reti pubbliche I servizi di trasmissione dati tra sedi separate da suolo pubblico sono in generale forniti dalle stesse aziende pubbliche o private detentrici del monopolio o delle concessioni governative per la telefonia. La principale ragione è che spesso vengono utilizzati gli stessi mezzi e canali trasmissivi già posati e disponibili per il servizio telefonico. 11/9/2020 Sistemi di Trasmissione Dati 6

Il livello fisico nell’accesso alle reti pubbliche Il primo e più semplice servizio di trasmissione dati è infatti quello ottenibile attraverso un comune canale telefonico. Il modem provvede a convertire i dati digitali provenienti dal computer o dal terminale e a trasformarli in modo da essere adatti per la trasmissione attraverso il canale telefonico, progettato per la trasmissione della voce. Un altro modem, all’altro capo del collegamento, opera la conversione inversa. 11/9/2020 Sistemi di Trasmissione Dati 7

Il livello fisico nell’accesso alle reti pubbliche Le comuni linee telefoniche sono dette “commutate”, in quanto tramite i circuiti di commutazione nelle centrali possono essere collegate ad una qualsiasi altra linea, e quindi ad un qualsiasi altro utente della rete. Proprio questa flessibilità rende questo tipo di collegamento dati ancora oggi estremamente importante e diffuso, anche grazie alla continua evoluzione tecnologica dei modem. 11/9/2020 Sistemi di Trasmissione Dati 8

Il livello fisico nell’accesso alle reti pubbliche • Quando due telefoni comunicano, la linea è occupata: nessuno può chiamare quei telefoni. • Che succede se usiamo una comunicazione a commutazione di circuito su internet? • DISASTRO: qualsiasi servizio offerto sarebbe disponibile ad un solo utente per volta. – Ad esempio, chi riesce a connettersi ad un sito web lo può usare in esclusiva per tutto il tempo che vuole!!! 11/9/2020 Sistemi di Trasmissione Dati 9

Interfacce seriali Tutte le apparecchiature di collegamento a linee di trasmissione dati analogiche o digitali prevedono la connessione del terminale, del computer o dell’apparecchiatura di rete (ad esempio router o bridge) mediante un’interfaccia seriale. 11/9/2020 Sistemi di Trasmissione Dati 10

Interfacce seriali Esistono numerosi standard che definiscono le caratteristiche elettriche e meccaniche dei cavi e dei connettori, codifica elettrica dei bit, ecc. , tra cui RS-232, RS-449, V. 24, V. 35 ecc. , come visto in precedenza. Ora affronteremo alcuni concetti generali sulle caratteristiche di questo tipo di collegamento. La trasmissione dei dati, che sono normalmente organizzati in byte, può infatti avvenire tra DTE e DCE in diversi modi: seriale o parallela, sincrona o asincrona, controllo di flusso hardware o secondo diversi protolli software. 11/9/2020 Sistemi di Trasmissione Dati 11

Trasmissione seriale e parallela La trasmissione parallela semplifica la circuiteria dell’interfaccia in quanto non richiede la conversione dei byte in una sequenza di bit, e consente velocità di trasmissione più elevate della seriale, ma la quantità di conduttori necessaria ne fa crescere rapidamente il costo al crescere della distanza. Pertanto il suo utilizzo, è limitato al collegamento di computer e unità periferiche su breve distanza, come nel caso dell’interfaccia Centronics per le stampanti. 11/9/2020 Sistemi di Trasmissione Dati 12

Trasmissione sincrona e asincrona La trasmissione seriale può essere sincrona o asincrona. La trasmissione asincrona prevede che venga trasmesso e ricevuto un byte alla volta. Bit aggiuntivi rispetto all’informazione da trasmettere, detti di start e di stop, permettono di sincronizzare il ricevitore con il trasmettitore e di separare la trasmissione dei singoli byte. La trasmissione sincrona prevede l’impacchettamento dei byte da trasmettere in trame contenenti byte aggiuntivi di sincronismo. 11/9/2020 Sistemi di Trasmissione Dati 13

Trasmissione sincrona e asincrona 11/9/2020 Sistemi di Trasmissione Dati 14

Trasmissione asincrona Storicamente la trasmissione asincrona deriva dalla necessità di collegamento delle telescriventi. I caratteri provengono dalla tastiera a intervalli casuali, dipendenti dalla pressione delle dita dell’operatore sui tasti. È quindi necessario un sistema di trasmissione che permetta al ricevitore si decodificare correttamente i dati anche quando l’intervallo che intercorre tra la loro trasmissione non è un multiplo intero del tempo di bit (cioè della durata della trasmissione di un bit) 11/9/2020 Sistemi di Trasmissione Dati 15

Trasmissione asincrona Per fare ciò. Al termine della trasmissione di un byte, viene inviato un bit di stop, la cui durata minima può essere 1, 1. 5 o 2 tempi di bit. Il bit di stop è normalmente rappresentato dallo stato 1 logico sulla linea (mark). Lo stesso stato indica la linea idle, cioè in assenza di trasmissione. In pratica il bit di stop viene prolungato finchè non inizia la trasmissione del byte successivo. Per permettere al ricevitore di sincronizzarsi, prima del primo bit di dato viene trasmesso un bit di start, rappresentato da una transizione dallo stato logico 1 allo stato logico 0 della linea per la durata di un tempo di bit. 11/9/2020 Sistemi di Trasmissione Dati 16

Trasmissione sincrona Nella trasmissione sincrona i dati sono inviati tramite un continuo flusso di bit (trama). Per mantenere il ricevitore sincronizzato con il trasmettitore, ogni blocco di dati è preceduto da uno o più caratteri di sincronismo, in genere codificati con una sequenza di uno e zero che li identificano univocamente come tali. Il ricevitore ricava dai caratteri di sincronismo un segnale di clock locale che pilota la lettura dei bit durante la ricezione del blocco di dati. 11/9/2020 Sistemi di Trasmissione Dati 17

Trasmissione sincrona La trasmissione sincrona richiede circuiti più complessi e costosi sia per la bufferizzazione dei dati sia per la generazione del segnale di clock che deve essere sufficientemente stabile da rimanere in fase con il trasmettitore almeno per tutto il tempo che intercorre tra la trasmissione di un gruppo di byte di sincronismo e il successivo. 11/9/2020 Sistemi di Trasmissione Dati 18

Controllo di flusso Il controllo di flusso (handshake) consente al dispositivo ricevitore di segnalare al trasmettitore la richiesta di interrompere o riprendere la trasmissione. Questo è necessario perché è possibile che il ricevitore processi i dati in arrivo più lentamente di quanto il trasmettitore li generi. Casi tipici sono rappresentati dal collegamento computer-stampante, computer-monitor del terminale, computer-computer quando lavorano a velocità diverse. Esistono principalmente tre meccanismi di controllo di flusso: segnali hardware RTS/CTS (spesso detto handshake hardware), e trasmissione dei caratteri XON/XOFF o ENQ/ACK 11/9/2020 Sistemi di Trasmissione Dati 19

RTS/CTS Molte interfacce seriali dispongono di una coppia di fili corrispondenti ai segnali RTS (Request To Send) e CTS (Clear To Send). Quando un dispositivo ricevente rileva l’attivazione del segnale RTS da parte del dispositivo trasmittente ed è pronto per ricevere, allora risponde attivando il CTS. Per interrompere l’invio dei dati da parte del trasmettitore, il ricevitore può disattivare il segnale CTS, e riattivarlo quando sarà nuovamente in grado di ricevere i dati. 11/9/2020 Sistemi di Trasmissione Dati 20

XON/XOFF L’utilizzo dei caratteri XON e XOFF (codici 17 e 19 della tabella ASCII, talvolta identificati come DC 1 e DC 3 - device control numero 1 e 3 - e corrispondenti ai codici di controllo CTRL-Q e CTRL-S) permette di realizzare un controllo di flusso senza bisogno di segnali hardware dedicati, in quanto XON e XOFF viaggiano sugli stessi canali dei dati. Il ricevitore trasmette un XOFF quando non è più in grado di ricevere i dati e un XON quando è nuovamente in grado di riceverli. Un problema associato all'uso del controllo di flusso XON/XOFF è dovuto al fatto che i codici corrispondenti a tali caratteri possono essere presenti all’interno di file di dati di comuni programmi applicativi e, durante il trasferimento, possono provocare la sospensione all’infinito della trasmissione. Per esempio, il ben noto word processor Word. Star usa il carattere CTRL-S per identificare l’inizio e la fine delle sottolineature. 11/9/2020 Sistemi di Trasmissione Dati 21

ENQ/ACK Il controllo di flusso mediante i caratteri ENQ (Enquire) e ACK (Acknowledge) è utilizzato principalmente in ambiente Hewlett Packard. A differenza di XON e XOFF, si tratta di un controllo di flusso orientato alla trasmissione dei dati a blocchi. Il trasmettitore invia un ENQ quando ha pronto un blocco di dati da trasmettere, ed attende l’ACK prima di effettuare la trasmissione. Avendo predefinito la massima dimensione del blocco di dati (in genere circa 2000 byte), si previene la saturazione del buffer del ricevitore. 11/9/2020 Sistemi di Trasmissione Dati 22

Trasmissione Simplex La trasmissione tra due terminali o più genericamente tra due dispositivi A e B avviene in una sola direzione: ad esempio A trasmette sempre e B riceve sempre. 11/9/2020 Sistemi di Trasmissione Dati 23

Trasmissione Half-Duplex Si definisce una trasmissione half-duplex quando essa avviene alternativamente in un senso e nell’altro. La ragione è dovuta alla necessità di condividere il medesimo canale trasmissivo da parte delle due stazioni collegate, come nel caso del walkie-talkie, in cui la commutazione trasmissione e ricezione avviene quasi sempre manualmente in seguito ad una parola convenzionale (passo). 11/9/2020 Sistemi di Trasmissione Dati 24

Trasmissione Half-Duplex Nei modem il canale trasmissivo condiviso è quello telefonico. Benchè i collegamenti all’interno delle centrali telefoniche e tra le centrali stesse siano realizzati con canali indipendenti per la trasmissione e la ricezione, il collegamento verso l’utente finale usa soltanto due fili e le voci dei due interlocutori si sovrappongono negli auricolari dei microtelefoni. 11/9/2020 Sistemi di Trasmissione Dati 25

Trasmissione Half-Duplex I circuiti di demodulazione dei modem hanno naturalmente difficoltà a decodificare un segnale quando ad esso ne è sovrapposto un altro. Per questo i primi collegamenti funzionavano in half-duplex: a turno, ciascun modem poteva utilizzare completamente il canale. 11/9/2020 Sistemi di Trasmissione Dati 26

Trasmissione Duplex La trasmissione half-duplex presenta lo svantaggio di introdurre un overhead dovuto alla commutazione trasmissione e ricezione. Per collegamenti altamente interattivi, o quando si usano protocolli che prevedono frequenti messaggi di aknowledge, tale overhead può diventare inaccettabile ed è necessario adottare tecniche full-duplex. 11/9/2020 Sistemi di Trasmissione Dati 27

Trasmissione Duplex La tecnica più diffusa per la comunicazione in full-duplex consiste nella suddivisione della banda del canale in due parti: ciascun modem ne userà una per trasmettere e l’altra per ricevere. Questo avviene utilizzando frequenze portanti diverse per i due modem, e ciascuno in ricezione filtrerà il segnale in modo da sopprimere l’eco della propria trasmissione. 11/9/2020 Sistemi di Trasmissione Dati 28

Telecomunicazioni Reti telefoniche Reti trasmissioni di dati Commutazione di circuito Commutazione di pacchetto Analogiche Digitali Orientate alla connessione Orientate alla trasmissione 11/9/2020 Sistemi di Trasmissione Dati 29

Reti telefoniche Orientate alla connessione Una frazione fissa della capacità trasmissiva è stabilmente allocata a ciascun canale. Ciascun utilizzatore ha a disposizione un canale trasmissivo dedicato, con la garanzia di poter utilizzare tutta la sua capacità. Non ottimizzazione della banda L’eventuale frazione di capacità trasmissiva non utilizzata (ad esempio, le pause di una conversazione telefonica) è persa, e questo è uno dei grossi limiti della commutazione di circuito. Banda passante, ritardo costante Tra i principali vantaggi, la garanzia che, se la chiamata viene stabilita, essa godrà per tutta la sua durata delle prestazioni richieste. 11/9/2020 Sistemi di Trasmissione Dati 30

Reti telefoniche Allocazione della capacità dinamica La conversazione telefonica utilizza un circuito su una giunzione tra centrali: un utente compone un numero (con prefisso), e la rete telefonica lo elabora allocando una serie di circuiti fino al destinatario della chiamata (creazione della connessione); se il destinatario risponde, i due possono parlare utilizzando il canale; quando uno dei due abbassa il ricevitore, la rete libera le risorse impegnate (abbattimento della connessione). 11/9/2020 Sistemi di Trasmissione Dati 31

Reti trasmissioni dati Orientata alla trasmissione Il flusso di informazioni è segmentato in "pacchetti" di lunghezza limitata o fissa, contrassegnati da un preambolo e un epilogo permettere il loro riconoscimento all’interno del flusso di dati, e che contengono le informazioni necessarie per definire la destinazione del pacchetto. Ottimizzazione della banda L’intera capacità trasmissiva disponibile viene impegnata per la trasmissione di ciascun pacchetto. Se vi sono più pacchetti da trasmettere contemporaneamente, questi vengono memorizzati in una coda. 11/9/2020 Sistemi di Trasmissione Dati 32

Limiti della commutazione a circuito Le linee commutate cioè le normali linee telefoniche sono state basate per lungo tempo su una tecnica di commutazione detta commutazione di circuito. Le prime centrali telefoniche funzionavano manualmente, le operatrici collegavano a richiesta la linea dell’utente che effettuava la chiamata con l’utente desiderato. Con le centrali automatiche, dispositivi elettromeccanici effettuavano la stessa operazione comandati dal combinatore telefonico dell’apparato dell’utente (il disco dei vecchi modelli di telefono) 11/9/2020 Sistemi di Trasmissione Dati 33

Limiti della commutazione a circuito La commutazione di circuito crea quindi un vero collegamento fisico tra i due utenti, ed esso resta stabile e riservato a loro per tutta la durata della comunicazione. Questo comporta in media un basso utilizzo del canale trasmissivo, risultando occupato da una comunicazione anche quando i due interlocutori non parlano o quando i due modem non si scambiano dati. 11/9/2020 Sistemi di Trasmissione Dati 34

Limiti della commutazione a circuito Un altro limite della commutazione di circuito è dovuto al fatto che l’insieme dei collegamenti tra le centrali e le apparecchiature (amplificatori, soppressori d’eco, …) attraversate di volta in volta per mettere in comunicazione due utenti può non essere sempre lo stesso, determinando variazioni anche considerevoli nelle caratteristiche del canale. 11/9/2020 Sistemi di Trasmissione Dati 35

La commutazione a pacchetto L’alternativa alla commutazione di circuito, per un migliore utilizzo dei canali trasmissivi, è rappresentata dalla commutazione di pachetto basata su sistemi digitali sia per l’instradamento che per la trasmissione dei dati. In essa i pacchetti (digitali) contengono l’indirizzo del destinatario e transitano attraverso la rete condividendo i canali trasmissivi con altre comunicazioni. In ogni modo vengono instradati in base all’indirizzo, e arrivati al nodo finale vengono inoltrati all’utente. In una rete complessa, è possibile che i pacchetti seguano percorsi differenti, vengano persi o consegnati fuori ordine alla destinazione. L’esempio tipico è IP (Internet Protocol). Quando un nodo intermedio detto commutatore di pacchetto (router o switch), riceve un pacchetto, esso decide qual è il percorso migliore che il pacchetto può prendere per raggiungere la sua destinazione. Questa strada può cambiare da pacchetto dipendentemente dalle condizioni della rete, per cui pacchetti appartenenti ad uno stesso messaggio possono intraprendere anche percorsi distinti. 11/9/2020 Sistemi di Trasmissione Dati 36

La commutazione a pacchetto 11/9/2020 Sistemi di Trasmissione Dati 37

Commutazione di circuito vs. commutazione di pacchetto Mentre in una rete a commutazione di circuito la capacità del canale trasmissivo è interamente dedicata ad una specifica comunicazione, la commutazione di pacchetto si rivela molto più efficiente nonostante la maggior quantità di dati inviata, in quanto i canali fisici sono utilizzati solo per il tempo strettamente necessario. Inoltre, poiché ogni pacchetto porta con sé la sua identificazione, una rete può trasportare nello stesso tempo pacchetti provenienti da sorgenti differenti. La commutazione di pacchetto permette quindi a più utenti di inviare informazioni attraverso la rete in modo efficiente e simultaneo, risparmiando tempo e costi mediante la condivisione di uno stesso canale trasmissivo (cavo elettrico, etere, fibra ottica, ecc. ). 11/9/2020 Sistemi di Trasmissione Dati 38

Commutazione di circuito vs. commutazione di pacchetto Storicamente la commutazione di pacchetto poneva qualche problema nel caso fosse necessaria una disponibilità garantita di banda o nelle trasmissioni real time: si pensi a una trasmissione video, dove le immagini arrivano con un flusso costante. Al giorno d'oggi è però possibile aggiungere una "priorità" ai pacchetti per garantire che un numero sufficiente di essi venga inviato, a scapito di altri pacchetti che non abbiano un’urgenza specifica - ad esempio, un file da trasferire. 11/9/2020 Sistemi di Trasmissione Dati 39

Altre forme di commutazione di pacchetto §commutazione di trama (frame switching): sinonimo di commutazione di pacchetto, ma riferito a tecnologie di livello datalink nel modello OSI, ad esempio ethernet. §commutazione di cella: il pacchetto ha una lunghezza fissa, e viene riempito con dati inutili se il messaggio da trasmettere non è abbastanza grande. La dimensione fissa della cella permette ottimizzazioni negli apparati di commutazione. L’esempio tipico è ATM (Asynchronous Transfer Mode: celle a lunghezza fissa di 53 byte). 11/9/2020 Sistemi di Trasmissione Dati 40

Circuito virtuale Commutazione di circuito virtuale: questa tecnica permette di emulare alcune caratteristiche di una rete a commutazione di circuito, pur utilizzando la commutazione di pacchetto. Prima di stabilire una comunicazione tra due calcolatori, deve essere stabilita una connessione logica (detta circuito virtuale) tra i due nodi, definendo tra l’altro il percorso che i pacchetti seguiranno. A questo percorso, su ciascun collegamento verrà associato un numero, e i commutatori dovranno solo associare a questo identificatore di circuito una porta ed un identificatore di circuito in uscita. Questo permette di garantire la consegna in ordine dei pacchetti, e facilita la realizzazione di funzioni di qualità di servizio. Questa caratteristica è propria di reti come ATM. 11/9/2020 Sistemi di Trasmissione Dati 41

ATM (Asynchronous Transfer Mode) ATM è stata progettata per unificare voce, dati, TV via cavo, telex, etc. in un sistema integrato, ossia canali sincroni e reti basate su pacchetti di uguale lunghezza, gestendo contemporaneamente livelli multipli di qualità del servizio per il traffico. Le reti ATM sono orientate alla connessione, prima di inviare i dati si invia un pacchetto di handshake per configurare la connessione. Quando il pacchetto attraversa i router o altri elementi utili alla connessione, questi vengono aggiornati e riservano risorse a questa connessione instaurando un circuito virtuale. In questo modo i pacchetti sono razionalizzati per cui contengono in gran parte dati puri riducendo a pochi byte quelli di servizio. L’instradamento dei pacchetti ATM è effettuato via hardware per cui sono molto rapidi. Tutti i pacchetti seguono la stessa strada ed è garantita la sequenza. 11/9/2020 Sistemi di Trasmissione Dati 42

Connessioni Internet via rete telefonica - dial-up Modem dial-up per codificare segnali digitali sopra le comuni linee telefoniche analogiche. La connessione a Internet è in alternativa all’uso della linea telefonica per comunicazioni. Velocità limitata a circa 56 Kbit/secondo. Il grande vantaggio di questa tecnologia è che non richiede modifiche alla rete distributiva esistente. Cavi telefonici Client 11/9/2020 Modem analogico Modem Analogico Sistemi di Trasmissione Dati Server 43

Connessioni Internet via rete telefonica - ISDN Le reti ISDN portano a casa dell'utente due canali telefonici in tecnologia digitale. La connessione a Internet può aver luogo contemporaneamente all’uso della linea telefonica per comunicazioni. Usandola per la trasmissione dati, arrivano ad una velocità massima di 128 Kbit/secondo, possibili solo con determinati provider. La velocità su un singolo canale è invece limitata a 64 Kbit/secondo. Linee telefoniche digitali o cavi telefonici Client 11/9/2020 Modem ISDN Sistemi di Trasmissione Dati Server 44

Connessioni Internet via rete telefonica -ADSL La tecnologia ADSL è accessibile senza dover cambiare i cavi telefonici esistenti e senza dover usare linee separate per i dati e per le comunicazioni-voce normali: sul doppino telefonico è infatti possibile far viaggiare contemporaneamente sia i dati digitali che il segnale telefonico analogico, grazie alla banda differente usata per i due segnali: la voce usa infatti le frequenze tra 300 e 3400 Hertz (Hz), mentre ADSL sfrutta quelle sopra i 4 KHz. Già dagli anni ‘ 70 lo stesso principio era stato utilizzato per la filodiffusione, il cui segnale viene inviato usando le frequenze fino ai 15 KHz. 11/9/2020 Sistemi di Trasmissione Dati 45

Connessioni Internet via rete telefonica - ADSL Le linee ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line) richiedono l’installazione di apparati di commutazione nelle centrali telefoniche (DSLAM), e l’utilizzo di filtri negli impianti telefonici domestici per separare le frequenze utilizzate per la trasmissione dati da quelle per la comunicazione vocale (che altrimenti risente di disturbi e fruscii). ADSL è l’ultimo sviluppo sull’infrastruttura esistente di doppino telefonico. Durante la connessione tramite ADSL è possibile continuare a utilizzare il telefono (con i filtri) in quanto le frequenze della voce e dei dati non si sovrappongono. 11/9/2020 Sistemi di Trasmissione Dati 46

Connessioni Internet via rete telefonica ADSL La A di ADSL sta per Asimmetric in quanto le velocità di download e di upload non sono uguali, maggiore la prima della seconda per l’uso comune che si fa della Rete. Gli standard ADSL 2 e ADSL 2+ supportano una ulteriore larghezza di banda in upstream Il doppino di rame presenta l’inconveniente di attenuare i segnali, e permette il funzionamento di questa tecnologia per distanze non superiori ai 5 Km circa (un’ulteriore riduzione della distanza è dovuta a interferenze esterne che riducono il rapporto segnale/rumore). Un’altra limitazione importante è data dall’interferenza "interna", che si verifica quando molte utenze telefoniche sullo stesso cavo di distribuzione utilizzano il servizio ADSL. La velocità media è a volte sotto il picco teorico perché la banda è frazionata fra molti utenti. Sistemi di Trasmissione Dati 11/9/2020 47

Connessioni a Internet senza rete telefonica Tra i candidati a sostituire il doppino per la distribuzione domestica dei servizi di telecomunicazioni, si possono citare: * le fibre ottiche (es. Fast. Web in Italia) * le infrastrutture della TV via cavo (soprattutto negli USA) * il trasporto di dati sulla rete elettrica * le reti wireless * le reti satellitari (che però sono tipicamente unidirezionali, dal satellite alla casa dell’utente, mentre il canale di ritorno deve essere realizzato con altre tecnologie, spesso su doppino telefonico). 11/9/2020 Sistemi di Trasmissione Dati 48

Linea dedicata/commutata: Esempio • Nel collegamento ad Internet col telefono – dal PC al provider è in corso una comunicazione a commutazione di circuito • la linea è occupata, perchè si sta effettuando una chiamata telefonica – dal provider verso qualsiasi punto di Internet al quale decidete di collegarvi, la comunicazione è a commutazione di pacchetto 11/9/2020 Sistemi di Trasmissione Dati 49

Multiplexing • Il multiplexing e una tecnica utilizzata per trasportare più comunicazioni indipendenti sullo stesso mezzo trasmissivo – questa necessità si ha quando c’è bisogno di trasmettere molte comunicazioni ciascuna delle quali ha una piccola occupazione di banda, e si dispone di un mezzo trasmissivo capace di una banda molto più ampia • La porzione della banda occupata da una singola comunicazione è detta canale • Vedremo tre modalità di multiplexing: – FDM (multiplexing a divisione di frequenza) – WDM (multiplexing a divisione di lunghezza d’onda) – TDM (multiplexing a divisione di tempo) 11/9/2020 Sistemi di Trasmissione Dati 50

FDM (Frequency Division Multiplexing) • Come visto in precedenza, l’effetto della modulazione analogica di un segnale sinusoidale a frequenza f si traduce nella generazione di un segnale il cui spettro ha la stessa forma dello spettro del segnale modulante ma traslato attorno alla frequenza f della portante • Se ipotizziamo di disporre di una serie di segnali ciascuno con banda B, e di un mezzo trasmissivo che ha una capacità di banda limitata dai valori F 1 e F 2 (con F 2 -F 1 >> B), possiamo utilizzare ciascun segnale per modulare segnali sinusoidali alle frequenze F 1+B, F 1+2 B, F 1+3 B, etc. • I segnali modulati occuperanno porzioni distinte entro la banda trasmissiva del mezzo, e potranno essere trasmessi contemporaneamente senza interferire. • In ricezione, opportune operazioni di demodulazione e filtraggio permetteranno di separare i diversi traffici. 11/9/2020 Sistemi di Trasmissione Dati 51

Banda nella modulazione di frequenza 11/9/2020 Sistemi di Trasmissione Dati 52

Schema di modulazione di frequenza 11/9/2020 Sistemi di Trasmissione Dati 53

Generazione e ricezione del segnale • I diversi segnali da trasmettere (analogici, o digitali trasformati in analogici via modem) modulano portanti a diverse frequenze, dette sottoportanti • I segnali modulati vengono sommati, generando un segnale composito in banda base; le frequenze delle sottoportanti vengono scelte in modo da minimizzare la sovrapposizione dei segnali sommati • Il segnale composito (che è analogico) può essere a sua volta utilizzato per modulare una portante per traslare il segnale ad una frequenza adatta al mezzo trasmissivo • In ricezione si demodula, riportando il segnale composito in banda base • Utilizzando ulteriori demodulatori (adattati alle sottoportanti) e filtri si separano infine i segnali originari 11/9/2020 Sistemi di Trasmissione Dati 54

Occupazione di banda • Se ipotizziamo di generare la modulazione con la sola banda laterale, la larghezza di banda occupata dal segnale composito sarà: • In realtà la banda occupata è in genere leggermente superiore, per mantenere una separazione tra i diversi canali in modo da non avere interferenza e per tenere in conto la non idealità dei filtri in fase di demodulazione 11/9/2020 Sistemi di Trasmissione Dati 55

Gerarchia FDM per la telefonia • Una applicazione molto diffusa è il multiplexing di canali fonici per la trasmissione delle telefonate attraverso le dorsali a larga banda in coassiale o ponte radio • Il canale fonico è posto a 4 k. Hz (per distanziare i diversi canali) • Sono definiti gli standard per diversi livelli di multiplexing, per adattarsi alla capacità di diversi mezzi: – gruppo: 12 canali fonici, banda di 48 k. Hz tra 60 e 108 KHz – supergruppo: 5 gruppi, 60 canali, 240 k. Hz tra 312 e 552 KHz – gruppo master: 10 supergruppi, 600 canali, 2. 52 MHz tra 564 KHz e 3. 084 MHz – … esistono standard fino a 230. 000 canali fonici 11/9/2020 Sistemi di Trasmissione Dati 56

Trasmissione radio/TV • L’esempio più comune di FDM è la trasmissione radiotelevisiva. Questa utilizza diverse bande di frequenza, ciascuna delle quali viene suddivisa in canali di una certa capacità, idonea a trasmettere i segnali delle diverse stazioni trasmittenti – trasmissioni a modulazione di ampiezza (AM) nella banda MF (Medium Frequency): 300 -3000 KHz , con canali da 4 k. Hz per radio commerciali – trasmissioni AM nella banda HF (High Frequency): 3 -30 MHz, con canali fino a 4 k. Hz (radio onde corte) – trasmissioni AM o FM nella banda VHF (Very High Frequency): 30 -300 MHz, con canali fino a 5 MHz (radio FM e TV VHF) – trasmissioni FM nella banda UHF: 300 -3000 MHz con canali fino a 20 MHz (TV UHF, ponti radio) – trasmissioni FM nella banda SHF: 3 -30 GHz con canali fino a 500 MHz (microonde terrestri e satellitari) – … 11/9/2020 Sistemi di Trasmissione Dati 57

ADSL • ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line) è lo standard per fornire all’abbonato un accesso digitale a banda più elevata di quanto non sia possibile con il modem • La linea telefonica terminale è costituita da un doppino su cui viene normalmente trasmessa la voce. Questa trasmissione si realizza applicando un filtro passa basso a 4 k. Hz • Tuttavia il doppino ha una capacità di banda che raggiunge il MHz (dipende dalla lunghezza del tratto terminale, che può variare in base alla situazione tra poche centinaia di metri a diversi km) • Lo spettro disponibile viene suddiviso in 256 canali da 4 k. Hz (fino a 60 kbps ciascuno): – Il canale 0 viene riservato per la telefonia – I successivi 4 canali non vengono utilizzati per evitare problemi di interferenza tra la trasmissione dati e quella telefonica – I restanti canali vengono destinati al traffico dati. Alcuni per il traffico uscente (upstream), altri per il traffico entrante (downstream) • Il modem ADSL riceve i dati da trasmettere e li splitta in flussi paralleli da trasmettere sui diversi canali, genera un segnale analogico in banda base per ciascun flusso (con una modulazione QAM fino a 15 bit/baud a 4000 baud/s) e li trasmette sui diversi canali utilizzando la modulazione di frequenza 11/9/2020 Sistemi di Trasmissione Dati 58

Suddivisione dei canali nell’ADSL • In teoria l’ampiezza di banda disponibile consente un traffico pari a 13. 44 Mbps, ma non tutti i canali sono capaci di trasmettere a piena banda. L’operatore decide quale servizio offrire. • Generalmente vengono dedicati alcuni canali per il traffico entrante, ed altri (meno) per il traffico uscente (da qui il termine Asymmetric) 11/9/2020 Sistemi di Trasmissione Dati 59

WDM (Wavelength Division Multiplexing) • La fibra ottica trasmette segnali elettromagnetici a lunghezza d’onda intorno a 850, 1300 o 1550 nm • Ognuna di queste bande può trasmettere segnali a lunghezze d’onda che variano di circa 100 nm • In termini di frequenze si ha (nel primo caso): quindi una banda enorme a disposizione 11/9/2020 Sistemi di Trasmissione Dati 60

WDM (Wavelength Division Multiplexing) • E’ stata sviluppata una tecnologia per poter trasmettere canali differenti su lunghezze d’onda differenti, chiamata WDM (Wavelength Division Multiplexing) • Si utilizza in multiplexing un combinatore ottico che mette insieme segnali alle diverse lunghezze d’onda • In ricezione un sistema analogo separa le diverse lunghezze d’onda • Sostanzialmente è una tecnica FDM, con la differenza che in questo caso il sistema sfrutta la diffrazione delle onde da reticolo, ed utilizza sistemi passivi, quindi altamente affidabili e che non introducono rumore • Con questa tecnologia è possibile già ora trasmettere decine di canali a 10 Gbps su una sola fibra • Questo meccanismo permette di incrementare notevolmente la capacità trasmissiva ottenibile sulla fibra senza dover aumentare la frequenza della generazione degli impulsi ottici (cosa che oggi costituisce il fattore limitante per la velocità di trasmissione dati sulla fibra ottica) 11/9/2020 Sistemi di Trasmissione Dati 61

TDM (Time Division Multiplexing) • Il multiplexing a divisione di tempo è utilizzato quando si dispone di un canale digitale capace di un elevato tasso di trasmissione dati in cui poter trasmettere contemporaneamente un insieme di comunicazioni a tasso inferiore • Invece che mettere insieme i segnali a frequenze differenti (FDM) si mischiano i dati delle diverse comunicazioni, inframezzando i bit delle diverse trasmissioni • Di fatto si divide la disponibilità del canale in periodi temporali, e si dedicano a turno i diversi periodi a diversi flussi trasmissivi 11/9/2020 Sistemi di Trasmissione Dati 62

Slot e frame • Ogni intervallo temporale si chiama slot e può contenere uno o più bit relativi ad un flusso indipendente • Il flusso dei dati è organizzato in trame (frame) • Una trama è l’insieme di slot temporali che contiene almeno un bit per ciascuna trasmissione • Anche in questo caso il flusso relativo ad una singola trasmissione è detto canale 11/9/2020 Sistemi di Trasmissione Dati 63

Schema del TDM 11/9/2020 Sistemi di Trasmissione Dati 64

Sorgenti di ingresso per il TDM • I dati in ingresso non debbono necessariamente essere tutti digitali: può essere un ingresso analogico che viene convertito in segnale digitale tramite campionamento, con relativa generazione del codice PCM • I segnali in ingresso non debbono nemmeno essere tutti ad uguale tasso trasmissivo – Ad esempio, possiamo fare multiplexing TDM di due canali a 1200 bps ed uno a 2400 bps su un canale a 4800 bps, costruendo un frame di 4 bit (di 833 microsecondi) e dedicando una slot (1 bit) ciascuno ai canali a 1200 bps, e due slot (2 bit) al canale a 4800 bps 11/9/2020 Sistemi di Trasmissione Dati 65

TDM sincrono • Il TDM sincrono prevede di avere in ingresso un certo numero di trasmissioni a cui è staticamente allocato un canale, cioè ogni slot temporale è dedicata ad una particolare trasmissione • Quando un ingresso non ha dati da trasmettere, la trasmissione continua e le slot dedicate a quel canale non trasporteranno dati 11/9/2020 Sistemi di Trasmissione Dati 66

Gerarchie digitali • Anche per il TDM esistono gerarchie di multiplexing definite come standard per la trasmissione a diversi tassi in funzione delle possibilità trasmissive del mezzo • Il Nord America ed il Giappone utilizzano una gerarchia (nata prima) diversa da quella standardizzata dall’ISO ed adottata in Europa • Entrambi utilizzano come base di durata temporale del frame quella necessaria alla trasmissione di un canale vocale (8000 campionamenti al secondo = 125 microsecondi di tempo per il frame) 11/9/2020 Sistemi di Trasmissione Dati 67

Gerarchia Nordamericana • Il frame del livello primario è costituito dall’unione di 24 canali vocali • Un frame contiene un campionamento per canale (24 canali * 8 bit = 192 bit) più un bit di sincronizzazione di frame • Il tasso di trasmissione sarà quindi 1. 544 Mbps • Per la trasmissione di dati numerici si utilizza lo stesso frame, in cui vengono messi insieme 23 canali dati, mentre un byte viene riservato ad un ulteriore dato di sincronizzazione 11/9/2020 Sistemi di Trasmissione Dati 68

Gerarchia Nordamericana • Il formato descritto si chiama DS-1, o T 1 • Il livelli gerarchici successivi sono: – T 2: 4*T 1 a 6. 312 Mbps – T 3: 7*T 2 a 44. 736 Mbps – T 4: 6*T 3 a 274. 176 Mbps • Si può osservare come ad ogni livello successivo il tasso trasmissivo reale è superiore a quello utile, in quanto ad ogni passaggio si devono introdurre nella trama bit di controllo (per il framing, per la gestione della linea, per identificare gli errori) 11/9/2020 Sistemi di Trasmissione Dati 69

Gerarchia digitale europea • L’ITU-T ha prodotto uno standard differente da quello nordamericano, adottato in Europa ed altrove • Questo standard si basa come quello americano sul canale fonico, con tempo di frame di 125 microsecondi • La gerarchia prevede i seguenti livelli di aggregazione: – E 1: 32 canali vocali (2 dedicati a controllo) a 2. 048 Mbps – E 2 = 4*E 1 a 8. 448 Mbps – E 3 = 4*E 2 a 34. 368 Mbps – E 4 = 4*E 3 a 139. 264 Mbps – E 5 = 4*E 4 a 565. 148 Mbps 11/9/2020 Sistemi di Trasmissione Dati 70

Sonet e SDH • Sonet (Synchronous Optical NETwork) ed SDH (Sinchronous Digital Hierarchy) sono due standard di multiplexing gerarchico sviluppati per la trasmissione su fibra ottica • L’obiettivo è quello di sfruttare l’ampia banda trasmissiva della fibra per poter ospitare le trasmissioni delle gerarchie digitali già viste • I due standard (AT&T e ITU-T) sono leggermente differenti – STS-1/OC-1 (STM-0): 51. 84 Mbps (ospita un T 3 o 21 E 1) – STS-3/OC-3 (STM-1): 155. 52 Mbps (ospita 3 T 3 o un E 4) – … fino a STS-192/OC-192 (STM-64) a 9. 9 Gbps (ospita 193 T 3 o 64 E 4) 11/9/2020 Sistemi di Trasmissione Dati 71

Frame del Sonet • Il frame è costituito da 810 byte (di durata temporale 125 microsecondi, da cui i 51. 84 Mbps), e si descrivono come una matrice di 9 righe e 90 colonne • Le prime tre colonne vengono dedicate ad informazioni di controllo – i primi due byte assumono sempre lo stesso valore e sono utilizzati per il framing – un byte viene utilizzato come puntatore per indicare l’inizio dei dati validi sul frame, in modo da poter inviare dati utili anche se questi si presentano mentre si sta preparando un frame, senza dover attendere il frame successivo – alcuni byte nel campo di controllo sono utilizzati per costruire un singolo canale dati per il management, o anche un canale vocale – altri byte di controllo sono usati per informazioni di parità, allineamento delle singole trame ed informazioni sul loro contenuto 11/9/2020 Sistemi di Trasmissione Dati 72

TDM asincrono • Un limite del TDM sincrono è che quando un canale in ingresso non trasmette, la capacità di banda assegnata a quel canale non viene utilizzata (le slot dedicate al canale non trasportano dati utili) • Una soluzione talvolta adottata è quella di accettare in input un insieme di canali per cui il tasso totale è superiore al tasso trasmissivo del canale in uscita • L’ipotesi è che non tutti trasmetteranno contemporaneamente a piena banda • Si utilizzano dei buffer poter gestire gli intervalli in cui la banda in uscita non è sufficiente a gestire i dati in ingresso – va però considerato che maggiore è la dimensione dei buffer, maggiore è il ritardo introdotto in trasmissione, quindi non si può eccedere; d’altra parte minore è la dimensione dei buffer, minore è il margine oltre il quale si perdono dati • In questa modalità di multiplexing, non essendoci una assegnazione statica tra canale e trasmittente, si dovranno introdurre informazioni di controllo per identificare la trasmissione associata alle slot 11/9/2020 Sistemi di Trasmissione Dati 73